数字电路与系统数字逻辑基础

数字逻辑电路与系统设计课程设计课程设计目的通过本课程设计的学习，学生应能够掌握数字逻辑电路基本概念、设计方法以及应用技巧。

学生应该能够使用Verilog HDL或者其他硬件描述语言（HDL）设计数字逻辑电路和系统，并能够基于FPGA平台设计和实现数字电路系统。

课程设计内容本次课程设计主要包含以下内容：1.数字电路基础知识：数字逻辑基本理论、逻辑门的特点、数字电路的抽象层次。

2.Verilog HDL编程：Verilog HDL的基本语法、数据类型、运算符以及常用结构体。

3.组合逻辑电路设计：组合逻辑电路的设计方法、Karnaugh图、逻辑门级联、多路复用器/解复用器、译码器、比较器等。

4.时序逻辑电路设计：时序逻辑电路的设计方法、触发器、寄存器、计数器等。

5.FPGA系统设计：FPGA的基本原理和结构、FPGA开发板的使用、FPGA系统设计的流程以及示例项目。

课程设计要求1.课程设计可以采用Verilog HDL或者其他HDL编程语言。

2.参与者需要结成小组，每个小组3-5人。

3.每个小组需要完成一项数字电路设计项目，包括设计报告和实验验证。

4.每个小组需要在课程结束时提交一份完整的设计报告以及实验数据和项目代码。

5.设计项目可以是基于组合逻辑或时序逻辑的电路系统设计，包括但不限于多路选择器、加法器、比较器、寄存器、时钟控制器、计数器、显示控制器等。

6.设计报告应该包含问题描述，设计总体方案，设计分级具体实现以及实验结果和分析等。

7.实验验证应该使用FPGA开发板完成，需要进行基准测试，并按照设计要求逐步进行验证。

8.设计报告和实验验证需要进行小组汇报，并进行讨论。

课程设计参考资料1.Verilog HDL编程指南(第二版), 王自发, 清华大学出版社，20182.数字逻辑与计算机设计，M. Morris Mano, Pearson Education,20153.FPGA原理与设计, Jonathan W. Valvano, Morgan & Claypool,20114.FPGA开发实战, Evan A. Curtice, Packt Publishing, 2018结论通过本次课程设计，学生将能够熟练掌握数字逻辑电路设计的基础知识和关键技能。

第一章数字电路与逻辑设计基础本章的主要知识点包括数制及其转换、二进制的算术运算、BCD码和可靠性编码等。

1.参考学时2学时（总学时32课时，课时为48课时可分配4学时）。

2.教学目标（能力要求）●系统梳理半导体与微电子技术发展的历史，激发学生专业热情，结合我国计算机发展面临的卡脖子现状，鼓励学生积极投身信息成业自主可控；●学生可解释数字系统的概念、类型及研究方法；●学生能阐述数制的基本特点，可在不同数制之间进行数字的转换；●学生能理解带符号二进制数的代码表示，能将真值和原码、反码、补码的进行转换；●学生能熟记几种常用的编码（8421码、2421码、5421码、余三码），说明有权码和无权码的区别，能阐述不同编码的特点和特性；●学生能阐述奇偶校验码和格雷码的工作原理与主要特征，并能利用相关原理进行二进制和格雷码的转换，能根据信息码生成校验码，并能根据信息码和校验码辨别数据是否可靠。

3.教学重点●BCD码●奇偶校验码●格雷码4.教学难点●理解不同BCD码的编码方案及相关特征●理解可靠性编码方案、验证的原理以及使用方法。

5.教学主要内容（1）课程概述（15分钟）➢科技革命促生互联网时代➢半导体与微电子技术发展历程➢课程性质、内容与学习方法（2）芯片与数字电路（20分钟）➢数字信号和模拟信号➢数字逻辑电路的特点➢数字逻辑电路的分类➢数字逻辑电路的研究方法（3）数制及其转换（5分钟）➢进位计数值的概念和基本要素➢二进制和十进制的相互转换➢二进制和八进制数的相互转换➢二进制和十六进制数的相互转换（4）二进制数的算术运算（5分钟）➢无符号二进制数的算术运算➢带符号二进制数的机器码表示➢带符号二进制数的算术运算（5）BCD码（20分钟）➢有权码和无权码的区别➢8421码的编码规律及和十进制数的转换➢2421码的编码规律及和十进制数的转换➢5421码的编码规律及和十进制数的转换➢余三码的编码规律及和十进制数的转换（6）奇偶校验码（15分钟）➢奇校验和偶校验的概念➢奇校验和偶校验校验位的生成方法和校验方法➢奇校验和偶校验的特点（7）格雷码（10分钟）➢格雷码的特点和用途➢格雷码和二进制数的相互转换6.教学过程与方法（1）课程概述（15分钟）➢科技革命促生互联网时代以习总书记的讲话作为整个课程的导入，说明科技发展是强国必有之路，穿插不同国家崛起的历史，结合第一次工业革命、第二次工业革命，推出目前进入的互联网时代，结合中美贸易战事件，引导学生积极投身国产IT生态的建设。

数字逻辑和数电数字逻辑和数电（数位电子学）是现代电子技术的基础，广泛应用于计算机、通信、自动化等领域。

本文将从数字逻辑和数电的概念、原理、设计方法和应用等方面进行介绍。

一、概念和原理数字逻辑是研究数字信号在逻辑电路中的运算和转换规律的学科。

它以二进制数和逻辑代数为基础，通过逻辑门电路的组合和连接来实现逻辑运算和逻辑功能。

逻辑门电路包括与门、或门、非门等，通过它们的组合可以实现复杂的逻辑运算和逻辑功能。

数电是研究数字信号在电子器件和电路中的传输、处理和控制的学科。

它主要研究数字电路和数字系统的设计和实现。

数字电路是由数字逻辑门电路和其他电子器件组成的，它可以对数字信号进行处理和控制，实现各种功能。

数字逻辑和数电的基本原理是二进制数制和逻辑代数。

二进制数制是一种以2为基数的数制，它只包含0和1两个数字。

逻辑代数是一种用符号表示逻辑运算的代数，它包含与运算、或运算、非运算等。

二、设计方法数字逻辑和数电的设计方法主要包括逻辑函数的化简和逻辑电路的设计。

逻辑函数的化简是通过逻辑代数的方法将复杂的逻辑函数化简为简单的逻辑表达式，从而减少逻辑门的数量和电路的复杂度。

逻辑电路的设计是根据逻辑功能的要求，选择适当的逻辑门电路和其他电子器件进行组合和连接，实现逻辑运算和逻辑功能。

三、应用数字逻辑和数电广泛应用于计算机、通信、自动化等领域。

在计算机中，数字逻辑和数电用于实现计算机的运算、存储和控制功能，包括算术逻辑单元（ALU）、存储器、控制器等。

在通信中，数字逻辑和数电用于实现数字通信系统的编码、解码、调制、解调等功能。

在自动化中，数字逻辑和数电用于实现自动控制系统的逻辑运算和逻辑控制。

总结：数字逻辑和数电是现代电子技术的基础，它们通过逻辑门电路的组合和连接来实现逻辑运算和逻辑功能。

数字逻辑和数电的设计方法包括逻辑函数的化简和逻辑电路的设计。

数字逻辑和数电广泛应用于计算机、通信、自动化等领域，它们在这些领域中发挥着重要的作用。

数字逻辑是计算机和电子工程的基础学科，主要研究数字信号的生成、处理和操作。

基本概念包括：
1.逻辑门：逻辑门是数字逻辑系统的基础，它接收一个或多个输入
信号并产生一个输出信号。

常见的逻辑门有AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR、XNOR等。

2.布尔函数：布尔函数是逻辑门的输入输出的逻辑关系的抽象和一
般化。

任何布尔函数都可以表示为一组逻辑门的组合。

3.逻辑代数：逻辑代数是对布尔函数进行代数运算的理论，包括加
法和乘法运算。

4.真值表：真值表是一种描述逻辑门输入和输出之间关系的表格，
每一行代表一个输入值，每一列代表一个输出值，表中的单元格对应一个特定输入和输出的组合。

5.逻辑表达式：逻辑表达式是用逻辑运算符连接逻辑变量的数学表
达式。

6.逻辑电路：逻辑电路是用于实现逻辑门和逻辑运算的物理设备，
如晶体管、集成电路等。

7.数字信号：在数字逻辑中，信息以离散的、定量的数字形式表示，
通常为二进制（0和1）。

8.逻辑电路的设计和分析：包括设计逻辑电路、分析逻辑电路的功
能和性能等。

数字电路数字逻辑
数字电路是一种用来处理数字信号的电子电路，也称为数字系统或数字逻辑电路。

它是现代电子设备的基础，如计算机、通信设备和各种控制系统等。

数字电路以二值数字逻辑为基础，其工作信号是离散的数字信号，反映在电路上就是低电平和高电平两种状态（即0和1两个逻辑值）。

数字电路中的基本单元是逻辑门，它实现基本的逻辑运算，如与、或、非等。

逻辑门由半导体工艺制成的数字集成器件构造而成，常见的有与门、或门、非门、异或门等。

存储器是用来存储二进制数据的数字电路，它对数据的存储和读取都是以二进制的形式进行的。

从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。

组合逻辑电路的输出信号只与当时的输入信号有关，而与电路以前的状态无关，它不具有记忆功能。

而时序逻辑电路则具有记忆功能，其输出信号不仅和当时的输入信号有关，而且与电路以前的状态有关。

常见的时序逻辑电路有触发器和寄存器等。

数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代。

现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成，具有体积小、功耗低、可靠性高、速度快、功能强等特点。

总的来说，数字电路是数字系统的基础，它的设计和应用涉及到计算机科学、电子工程、通信工程等多个领域。

数字逻辑与数字系统设计数字逻辑与数字系统设计是计算机科学领域的重要基础知识，涉及到计算机硬件的运作原理和数字电路的设计。

本文将从数字逻辑的基本概念入手，逐步介绍数字系统设计的过程，并探讨常见的数字逻辑电路及其应用。

一、数字逻辑基础数字逻辑是研究数字信号的逻辑关系与运算的学科。

在计算机系统中，二进制的0和1被用于表示逻辑值，0代表假，1代表真。

数字逻辑中的基本逻辑运算有与、或、非、异或等。

通过这些运算，可以实现数字信号的处理和控制。

1. 与门与门是最基本的逻辑门之一，其输出只有在所有输入都为1时才为1，否则为0。

与门常用记号为“&”或“∧”。

2. 或门或门是另一种基本的逻辑门，其输出只有在至少一个输入为1时才为1，否则为0。

或门常用记号为“|”或“∨”。

3. 非门非门是最简单的逻辑门之一，其输出与输入相反。

非门常用记号为“¬”或“~”。

4. 异或门异或门是常用的逻辑门，其输出只有在输入不相同时才为1，否则为0。

异或门常用记号为“⊕”。

以上是数字逻辑中最基本的逻辑门，不同的逻辑门可以组合成更复杂的数字逻辑电路。

二、数字系统设计数字系统设计是将数字逻辑门和其他电子元件组合在一起，实现特定功能的过程。

在数字系统设计中，常用的设计方法是组合逻辑设计和时序逻辑设计。

1. 组合逻辑设计组合逻辑设计是指通过组合不同的逻辑门，根据输入产生特定的输出。

组合逻辑电路没有存储元件，只有输入和输出，输出仅取决于当前的输入。

2. 时序逻辑设计时序逻辑设计是指通过组合逻辑电路和存储元件，实现带有状态的数字系统。

时序逻辑电路的输出不仅与当前输入有关，还与之前的输入和存储元件的状态有关。

三、常见的数字逻辑电路及应用1. 加法器加法器是一种常见的数字逻辑电路，用于将两个二进制数相加。

全加器是一种常见的加法器，通过多个全加器的串联可以实现任意位数的加法运算。

2. 计数器计数器是一种递增或递减的数字逻辑电路，常用于计数和时序控制。

数字电路与系统（学分4，学时53+7）一、课程的性质和任务《数字电路与系统》是电气工程及自动化专业基础课，是该专业类学生学习和掌握数字系统、计算机原理、数字通讯、数字控制等方面知识的入门课程。

本课程从应用角度出发，学习数字电路的常用集成器件原理、符号、功能，以及由常用器件组成的组合电路、时序电路的分析和设计方法，进而分析和设计由中规模乃至大规模集成电路组成的数字系统。

同时也涉及了各种数字电路和系统，建立数字系统的整体概念，为使学生以后具有用硬件和软件设计中、大规模数字系统的能力打下基础。

二、课程内容、基本要求与学时分配（一）数字逻辑基础 2学时1. 数字电路2. 数制3. 数制间的转换4. 代码5. 带符号的二进制数教学要求：掌握二进制、八进制、十进制、十六进制数的计数规律及相互转换；掌握原码、反码、补码以及带符号的二进制数的表示方法；了解数字系统的有关概念；了解BCD码与十进制数的关系及各自特点，以及格雷码的作用、特点和编码的原理。

（二）逻辑门电路 3学时1. 逻辑门电路介绍2. 半导体二极管和三极管的开关特性3. 分立器件门电路4. 集成逻辑门电路5. MOSFETs教学要求：掌握高、低电平与正、负逻辑的概念；掌握二极管、三极管、MOS管的开关特性；掌握CMOS和TTL反相器电气特性和功能；掌握与门、或门、非门、与非门、或非门、与或门、与或非门、异或门、同或门、三态门、OC门、CMOS传输门的逻辑符号、逻辑功能；了解二极管与门和或门，三极管非门的电路结构及工作原理；了解CMOS和TTL反相器的电路结构工作原理。

（三）逻辑代数基础 9学时1．逻辑代数的运算法则2．逻辑函数的标准形式3．逻辑函数的公式化简法4. 逻辑函数的卡诺图化简法教学要求：掌握逻辑代数的公理、定理及重要规则；掌握逻辑函数的代数化简法和卡诺图化简法；了解逻辑函数表达式的不同形式与变换；了解逻辑代数中有关逻辑变量，逻辑运算、逻辑函数、最小项和最大项等基本概念。